基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)應(yīng)用研究

李力

摘要：物聯(lián)網(wǎng)近年來發(fā)展非常迅速，目前基于中心化服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺將面臨挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈作為信任工具，區(qū)塊中數(shù)據(jù)分布存儲，信息公開透明，實現(xiàn)了各參與節(jié)點的去中心化連接，可進(jìn)行點對點自由流通。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用密碼學(xué)技術(shù)之加密算法，探索面向行業(yè)應(yīng)用的各類技術(shù)多元化，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全認(rèn)證和可信組網(wǎng)。文章闡述了區(qū)塊鏈的核心技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)海量連接存在的問題，探討了去中心化的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)區(qū)塊鏈架構(gòu)模型的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；物聯(lián)網(wǎng)；信任機制

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

區(qū)塊鏈不是一項新技術(shù)，而是新的技術(shù)組合、集成與應(yīng)用模式。作為信任工具，區(qū)塊中數(shù)據(jù)分布存儲，信息公開透明，實現(xiàn)了各參與節(jié)點的去中心化連接，可進(jìn)行點對點自由流通，能保證區(qū)塊中數(shù)據(jù)的安全。區(qū)塊鏈的特性主要有：網(wǎng)絡(luò)分散（去中心化）、安全、可追溯、共識機制、高可用性。我國《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中把區(qū)塊鏈作為一項重點前沿技術(shù)，明確提出要加大區(qū)塊鏈相關(guān)新技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，落地應(yīng)用，搶占先機，把新一代信息技術(shù)主導(dǎo)權(quán)掌握在手中，讓區(qū)塊鏈更好地賦能數(shù)字社會建設(shè)。

與此同時，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)近年來發(fā)展非常迅速。權(quán)威機構(gòu)預(yù)測2025年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)可能超過1 000億。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)平臺是基于中心化信任管理的，隨著越來越多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，物聯(lián)網(wǎng)將面臨更大的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在：設(shè)備連接缺乏信任機制；設(shè)備間數(shù)據(jù)交互缺乏安全和隱私保護(hù)；設(shè)備間自主操作缺少可靠的通信和協(xié)作機制。

為解決以上物聯(lián)網(wǎng)存在的問題，研究人員可結(jié)合區(qū)塊鏈，采用密碼學(xué)技術(shù)之加密算法，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全認(rèn)證和可信組網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上搭建區(qū)塊鏈分布式賬本，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間數(shù)據(jù)交互智能合約，實現(xiàn)設(shè)備間自主、可信和安全的互操作。在具體應(yīng)用方面，研究人員可依托現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)新型的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理模式。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 比特幣誕生背景

比特幣誕生于剛剛開始受到美國次貸危機打擊的全球化經(jīng)濟環(huán)境。它將分布式技術(shù)、密碼學(xué)以及博弈論這3個并不算新鮮的知識領(lǐng)域加以整合，實現(xiàn)了一種被稱為“區(qū)塊鏈”的共識機制^［1］。區(qū)塊鏈技術(shù)是比特幣的底層技術(shù)，也是比特幣的核心與基礎(chǔ)架構(gòu)，是一個去中心化的賬本系統(tǒng)。比特幣是區(qū)塊鏈最早也是最成功的一個應(yīng)用，但不是區(qū)塊鏈技術(shù)的全部。

比特幣系統(tǒng)的4個基本組成部分包含軟件、加密、硬件、采礦（博弈論）。比特幣系統(tǒng)就是去中心化理念和區(qū)塊鏈技術(shù)的一個優(yōu)秀示范項目。

1.2 區(qū)塊鏈定義

區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是一種點對點的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它以某種共識算法保障了各節(jié)點間數(shù)據(jù)的一致性，通過加密算法保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，同時通過加入時間戳及首尾相連的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一種公開的、透明的、可驗證的、不可篡改的且可追溯的技術(shù)體系^［2］。

1.3 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

1.3.1 分布式賬本

分布式賬本指交易記賬由分布在不同地方的多個節(jié)點共同完成，是一種在網(wǎng)絡(luò)成員之間共享、復(fù)制和同步的數(shù)據(jù)庫。每個節(jié)點記錄的是完整的賬目，網(wǎng)絡(luò)參與者都可以監(jiān)督交易的合法性，同時也可以互為作證。

1.3.2 共識機制

共識機制是區(qū)塊鏈?zhǔn)聞?wù)達(dá)成分散式共識的算法。區(qū)塊鏈的節(jié)點是分散的，沒有做出決策的中心化權(quán)威機構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中保存數(shù)據(jù)的所有節(jié)點，必須匯集在一起共同決策，共識機制，這決定了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的真實性。

1.3.3 智能合約

智能合約是一種特殊協(xié)議，從技術(shù)角度也被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，是運行在可復(fù)制、共享賬本上的計算機程序，可以處理信息，接收、儲存和發(fā)送價值，是一種使用區(qū)塊鏈實現(xiàn)各方之間協(xié)議的方法，但是與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器不同的是，智能合約可以被所有人看到。

智能合約可以促進(jìn)分布式網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)和資源共享，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價值，因此，智能合約已經(jīng)成為區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域落地的關(guān)鍵點。智能合約和傳統(tǒng)紙質(zhì)合約的區(qū)別在于智能合約是由計算機生成的，成本更低，交易更準(zhǔn)確。

1.3.4 密碼學(xué)

密碼學(xué)是區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)可信、防篡改和防偽造的基礎(chǔ)技術(shù)^［3］。存儲在區(qū)塊鏈上的交易信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，只有在數(shù)據(jù)擁有者授權(quán)的情況下才能訪問，從而保證了數(shù)據(jù)的安全和個人隱私。加密能力包括適用于去中心化環(huán)境下的數(shù)據(jù)加密和解密、摘要生成后的簽名機制^［4］。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

2.1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)解決方案都依賴于一個強大的中心服務(wù)器——物聯(lián)網(wǎng)平臺主機，均采用集中式的服務(wù)器—客戶端方式，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入云端。然而，物聯(lián)網(wǎng)時代終端數(shù)量爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備和云服務(wù)器數(shù)據(jù)的流通和匯聚給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來了比較大的開銷。中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)終將迎來一次突變，應(yīng)用服務(wù)正在從中心向終端遷移，形成分布式網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，解決中心化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的問題。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為數(shù)字化時代最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)和產(chǎn)業(yè)之一，正逐步向物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)方向快速演進(jìn)，引入各類新興技術(shù)是培育物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的重要手段。而區(qū)塊鏈技術(shù)的“去中心化”機制，把計算和管理能力下放到各個邊緣節(jié)點，各邊緣節(jié)點為各自區(qū)域內(nèi)設(shè)備服務(wù)，以此達(dá)到增強物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)擴展能力，保證物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的安全、可信和穩(wěn)定運行，使得數(shù)據(jù)得以在整個鏈中以塊的形式存在。該系統(tǒng)的構(gòu)成特性決定了數(shù)據(jù)幾乎不可能被破壞或竊取，物聯(lián)網(wǎng)中對數(shù)據(jù)的操作可以通過在區(qū)塊鏈中進(jìn)行注冊和驗證來解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全問題，區(qū)塊鏈技術(shù)已然解決了數(shù)據(jù)集中化管理帶來的數(shù)據(jù)隱私和安全問題，能確保其隱私性、魯棒性、單點故障容錯性。在區(qū)塊鏈分布式共享數(shù)據(jù)框架中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無需人為干預(yù)，可以安全地將數(shù)據(jù)存儲在不同的節(jié)點中，減少了開銷，更好地實現(xiàn)了隱私保護(hù)以及信任問題。

另外，區(qū)塊鏈的去中心化特點可以使物聯(lián)網(wǎng)承載海量設(shè)備連接服務(wù)，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，還可以降低數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險。而區(qū)塊鏈的分布式計算和主體對等的特點也可以有效地打破物聯(lián)網(wǎng)主體間的通信障礙，構(gòu)建新型的主體協(xié)作關(guān)系。最后區(qū)塊鏈以分布式賬本運作，記錄每一個連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備動作，將獲取到的信息上傳，因此作為物聯(lián)網(wǎng)中大量設(shè)備的公共賬本，記錄物聯(lián)設(shè)備的任何動作，實現(xiàn)了對物聯(lián)網(wǎng)接入識別的管理。

3 構(gòu)建去中心化的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)區(qū)塊鏈架構(gòu)模型

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟、硬件設(shè)備的發(fā)展和5G通信的應(yīng)用，區(qū)塊鏈加物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)模式將成為未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向。設(shè)計新的系統(tǒng)架構(gòu)、共識算法、智能合約、加密算法、時間戳技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)等，可以使區(qū)塊鏈更加適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，嵌入式設(shè)備點對點對等網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合分布式崩潰故障容錯（Crash Fault Tolerant）共識算法，構(gòu)建去中心化的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)架構(gòu)模型，保證在物聯(lián)網(wǎng)中部分網(wǎng)關(guān)節(jié)點出現(xiàn)非拜占庭故障的情況下，網(wǎng)絡(luò)依然可以處理客戶端的請求，提高物聯(lián)網(wǎng)整體的安全性和可用性。去中心化的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)區(qū)塊鏈架構(gòu)如圖1所示。

其中，分布式崩潰故障容錯共識算法基于分布式的一致K-V數(shù)據(jù)庫，通過多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)和配置管理機制，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的一致性，抵御不可信非拜占庭式攻擊，分布式崩潰故障容錯共識算法如圖2所示。

（2）基于PKI公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全數(shù)據(jù)通信。采用公鑰密碼技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建PKI公鑰基礎(chǔ)設(shè)施，通過CA數(shù)字證書的申請和簽發(fā)，形成安全的物聯(lián)網(wǎng)證書鏈，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備與傳感器之間數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)簽名，為上層區(qū)塊鏈不同組織之間的安全數(shù)據(jù)通信提供基礎(chǔ)。基于PKI公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)安全通信如圖3所示。

4 去中心化的物聯(lián)網(wǎng)可信組網(wǎng)

在物聯(lián)網(wǎng)中，區(qū)塊鏈和其他技術(shù)的結(jié)合可以有效地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算架構(gòu)，解決隱私與安全問題。

4.1 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

區(qū)塊鏈的通信協(xié)議是在應(yīng)用層基于TCP/IP的點對點通信協(xié)議，而物聯(lián)網(wǎng)則在設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層采用不同的協(xié)議，如設(shè)備層一般采用ZigBee，LoRa，NB-IoT，WiFi和4G等通信協(xié)議，而網(wǎng)絡(luò)層一般采用TCP/IP協(xié)議?；趨^(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議主要是在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，基于非對稱密碼學(xué)技術(shù)，采用公匙基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備注冊時，實現(xiàn)設(shè)備的認(rèn)證，確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可信組網(wǎng)。

4.2 基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架

基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是在物聯(lián)網(wǎng)中，增加區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的P2P點對點通信、非對稱密碼加解密、身份認(rèn)證、共識算法以及智能合約運行環(huán)境，通過區(qū)塊鏈賦能物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的交互操作，如身份驗證、數(shù)據(jù)交易等。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自主操作協(xié)作機制

采用區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間互操作邏輯固化在區(qū)塊鏈的智能合約中，在業(yè)務(wù)條件滿足時，自動觸發(fā)智能合約，進(jìn)行業(yè)務(wù)狀態(tài)的更新，同時交易記錄上傳到區(qū)塊鏈的分布式賬本中，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間安全可信的自主互操作。

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)賦能物聯(lián)網(wǎng)，去中心化直接降低了巨大的設(shè)備成本和后期的運維費用；可溯源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端數(shù)據(jù)，在數(shù)字化時代，數(shù)據(jù)是昂貴的，保證物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的真實性至關(guān)重要，終端節(jié)點接入?yún)^(qū)塊鏈后，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)便無法篡改，并可有效追溯。同時區(qū)塊鏈本身作為正在發(fā)展應(yīng)用的新技術(shù)，區(qū)塊鏈賦能的融合技術(shù)也帶來了新的問題和挑戰(zhàn)，比如區(qū)塊容量、吞吐量等，這意味著對區(qū)塊鏈融合物聯(lián)網(wǎng)也有了更高的技術(shù)要求。現(xiàn)階段的工作重點主要集中在隱私安全、高效節(jié)能、通量性能等方面，因此未來探索方向之一是區(qū)塊鏈如何更好地賦能資源有限設(shè)備，發(fā)揮區(qū)塊鏈融合物聯(lián)網(wǎng)的諸多優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Research on the trusted networking application of the Internet of Things based on blockchain technology

Li Li

（Guangdong Polytechnic of Science and Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： The Internet of Things network has developed very rapidly in recent years. At present， the Internet of Things network and Internet of Things business platform based on centralized services will face challenges. As a trust tool， the blockchain is used as a trust tool， and the data in the block is distributed and stored， and the information is open and transparent. Decentralized connections for peer-to-peer free circulation. Combining the Internet of Things technology， using the encryption algorithm of cryptography technology， exploring the construction of various technical diversifications for industry applications， and realizing the security authentication and trusted networking of Internet of Things devices. The article expounds the core technology of the blockchain and the problems existing in the massive connection of the Internet of Things， and discusses the construction of a decentralized IoT trusted networking blockchain architecture model.

Key words： blockchain; Internet of Things; trust mechanism